[發明專利]一種高采樣效率的傅里葉單像素成像方法

有效

• 申請號: 202110323806.4
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113114882B
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發明（設計）人: 張子邦;鐘金鋼;邱子恒
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: H04N23/50
• 分類號: H04N23/50;H04N23/80
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 鄭浦娟

本發明公開了一種高采樣效率的傅里葉單像素成像方法，首先利用空間光調制技術對目標物體圖像的傅里葉譜進行采樣密度變化的稀疏采樣，進而對所獲得的傅里葉譜施行L1?Magic壓縮感知算法，最終重建出物體圖像。本發明利用自然圖像在傅里葉域能量高度集中的特性，通過對重要性高的傅里葉系數進行高概率采樣作為約束，使壓縮感知算法可以通過凸優化求解出未被采樣的且重要性高的傅里葉系數，并將所節省的測量用于采集重要性較低的傅里葉系數，最終使收集到的空間信息最大化，從而實現了以少量的測量次數重建出清晰的物體圖像，實現高采樣效率的單像素成像。本發明所實現的高采樣效率特征可使本發明應用于動態場景的單像素成像。

技術領域

本發明涉及光學成像技術領域，特別是一種高采樣效率的傅里葉單像素成像方法。

背景技術

單像素成像在宏觀和微觀領域得到廣泛的應用。目前，單像素成像技術在宏觀方面的應用主要包括彩色成像、三維成像、多模態成像、免圖像的運動物體探測與三維追蹤等，以及微觀方面的數字全息顯微術、光場顯微術、焦點掃描顯微術等。

相比多像素陣列探測器(例如CCD、CMOS)，單像素探測器可以工作在更寬的光譜范圍、非視距、弱光環境等條件下，尤其在成本昂貴的多像素陣列探測器不能工作的情況下(例如遠紅外、紫外光、X光、太赫茲等)，單像素成像有助于解決非可見光成像的難題，單像素探測器相比多像素陣列探測器還具有更高的量子效率、更低的暗噪聲和更短的響應時間等優點，在一些特殊成像領域如生物醫學成像或遠距離3D成像更具優勢。

傅里葉單像素成像是一種基掃描單像素成像技術，即利用傅里葉基底圖案進行空間光調制，由單像素探測器進行待測場景的反射光、透射光或者散射光強的探測，將獲得的光強信號經過重建算法重建出目標場景圖像。相比其他基掃描單像素成像方法，傅里葉單像素成像采樣效率更高。而且傅里葉基底圖案能夠通過兩平面波相干產生，使得在那些沒有空間光調制器可用的波長范圍也能夠進行成像。

然而傅里葉單像素成像技術與其他單像素成像技術一樣，都面臨著成像效率和成像質量相互制衡這一難題。如果想重建一張分辨率高、細節豐富的圖像，需要獲取更多的測量數據，也就是需要更長的數據獲取時間。對于快速成像尤其是動態成像的話，重建一幀圖像所用的數據獲取時間很長，會導致運動模糊現象。所以，提高傅里葉單像素成像的效率是十分重要的。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術的不足，針對在傅里葉單像素成像領域中成像效率與成像質量相互制衡的難題，提出一種高采樣效率的傅里葉單像素成像方法，即對目標物體圖像的傅里葉譜進行采樣密度變化的稀疏采樣，通過對重要性高的傅里葉系數進行高密度采樣作為約束，使L1-Magic壓縮感知算法可以通過凸優化求解出未被采樣的且重要性高的傅里葉系數，并將所節省的測量用于采集重要性較低的傅里葉系數，最終使收集到的空間信息最大化。本發明可以實現以少量的測量次數重建出清晰的物體圖像，實現高采樣效率的單像素成像該方法，進一步可以應用于動態場景的單像素成像。

本發明的目的通過下述技術方案實現：

1、對目標場景圖像的傅里葉譜進行非均勻密度采樣，采樣密度相對于傅里葉系數的重要性的關系符合函數分布；然后，利用被采樣的傅里葉系數進行空間光調制，產生對應的結構光；接著將結構光投射到目標場景，之后再進行結構光探測以及重建算法處理，最終重建出目標場景圖像。

2、傅里葉系數的重要性高低取決于系數的幅值，幅值越大則重要性越高，反之亦然。使用大量自然圖像進行逆傅里葉變換，將所得到的傅里葉譜全部疊加起來，再根據疊加后的傅里葉系數的幅值從大到小對傅里葉系數進行排列，得到一個重要性降序排列向量，對重要性高的傅里葉系數實施高概率采樣，對重要性低的傅里葉系數實施低概率采樣。

3、目標場景圖像的傅里葉譜通過如下步驟獲取得到：

(1)先根據所需成像分辨率的大小A×B，將大量彩色自然圖像裁剪成分辨率為A×B的彩色圖像，然后將這些彩色圖像轉換成灰度圖像，接著對這些灰度圖像進行二維傅里葉變換得到多張傅里葉譜；